CC BY
26УДК 677.044.23:577.15
С.В.АЛЕЕВА, С.А.КОКШАРОВ
МОДИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ ГИДРОГЕЛЕЙ И ПЛЕНОК КРАХМАЛА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫМИ ФЕРМЕНТНЫМИ ПРЕПАРАТАМИ
(Институт химии растворов РАН, Иваново)
Выявлена возможность биохимической модификации крахмала за счет направленного тополитического действия амилолитических ферментов. На основании выявленных критериев подбора ферментов разработан декстриногенный препарат Амилан ДН, обеспечивающий локальное повреждение оболочки зерна крахмала и его расщепление без деструкции полимеров, перешедших в раствор. После инактивации фермента белковые молекулы оказывают структурирующее действие на гидрогель, обеспечивая повышение аморфности и влагопоглощения пленок, деформационных характеристик ошлихтованной пряжи и скорости удаления шлихты при подготовке ткани.
Крахмал и его гидрогели используют в качестве желирующих, эмульгирующих, структурирующих, клеящих или загущающих добавок в различных отраслях промышленности [1-3]. Наиболее широко используемыми методами клейстери-зации крахмала являются термолиз и химический катализ расщепления. В первом случае обработку осуществляют при повышенном давлении и температуре около 120 °С, что обусловливает высокую энергоемкость технологии. Применяемые в качестве химических расщепителей кислоты, щелочи или окислители обладают высокой агрессивностью и токсичностью. Под действием химических катализаторов наряду с разрушением оболочки зерен и их остатков неминуемо происходит разрушение а-глюкозидных связей в макромолекулах полимеров крахмала. В результате отщепления боковых ответвлений в макромолекулах ами-лопектина, а также конверсии полимеров до низкомолекулярных сахаров происходит потеря адгезионных и когезионных свойств композиции. В связи с этим актуальным является поиск эффективных методов клейстеризации крахмала.
Попытки использования ферментолиза крахмала в технологиях приготовления шлихты для текстильного производства оказались малоуспешными вследствие применения биокатализаторов не оптимизированного состава, вызывающих быстрое разжижение клейстера [4]. Для этих процессов неприменимы ферментные препараты, промышленно выпускаемые для конверсии крахмального сырья в глюкозу с последующим превращением ее в сахарозу, фруктозу или этанол в крахмалопаточном или спиртовом производстве.
Необходимо отметить, что разрушение глюкозидных связей составляет саму сущность действия амилолитических ферментов. Однако
разнообразие энзимов амилолитического комплекса, их адсорбционных свойств и условий проявления каталитической активности, специфики воздействия на полимеры крахмала обеспечивает возможность получения различных технологических эффектов. В частности, известно 13 разновидностей амилолитических ферментов, которые по механизму расщепления полимерного субстрата подразделяют на группы эндо- и экзо-деполимераз. Биокатализаторы декстриногенного действия - эндо-деполимеразы разрушают срединные связи в макромолекулах с образованием декстринов. Группа осахаривающих ферментов или экзо-деполимераз действует на концевые участки полимерных цепей с отщеплением моносахаров.
Нами получена корреляционная зависимость интенсивности деполимеризации крахмала при 25 °С ф25, %/ч) мультиэнзимными композициями синергического действия с показателями активности эндо-деполимераз (Аь ед/мл) и экзо-деполимераз (А2, ед/мл):
Б25= 17,68 + 0,0513-А] + 0,0115-А2 + + 3,58-10"5- А: • А2; (г= 0,969).
Последний член уравнения определяется синергическим действием ферментов обеих групп. Анализ зависимости подтверждает, что для регулируемой модификации крахмальных составов без глубокой конверсии полимера присутствие экзо-деполимераз целесообразно полностью исключить. В этом случае два последних члена уравнения обращаются в нуль, и интенсивность разрушения а-глюкозидных связей снижается.
Важным условием для обеспечения локальной деструкции полимеров на поверхности зерна является наличие у амилаз высоких адсорбционных свойств по отношению к твердому суб-
страту. Каталитическому процессу разрушения связи в макромолекулах и образованию конечных продуктов реакции предшествует стадия адсорбции фермента и образования фермент-субстратного комплекса [5]. Прочное связывание белковой макромолекулы фермента с поверхностью субстрата позволит обеспечить эффективное протекание деструкции оболочки зерна за счет так называемой «множественной атаки», т.е. повторяющихся актов взаимодействия с субстратом [6]. Для ферментов с низкими адсорбционными свойствами характерно разрушение фермент-субстратного комплекса после акта деполимеризации. Их действие хаотично, и высока вероятность нежелательного повреждения растворенной и мелкодисперсной фракций при клейстеризации крахмала.
Положительным отличием ферментов от химических катализаторов при модификации крахмала является легкость прекращения их действия путем изменения температуры системы. Для предотвращения нерегулируемого разжижения гидрогеля необходимо использовать биокатализаторы с узким температурным диапазоном и осуществлять в нужный момент клейстеризации крахмала денатурацию белка за счет нагрева системы.
В работе проведена проверка эффективности данного подхода. С учетом особенностей протекания ферментативного катализа и специфичности свойств биокатализаторов для осуществления целенаправленной модификации крахмальных композиций экспериментально обоснованы основные требования к ферментным препаратам. Используемый биопрепарат должен удовлетворять следующим критериям:
- высокие адсорбционные свойства для тополи-тического действия фермента на поверхности зерна и повышения степени дисперсности частиц (степень адсорбции фермента на поверхности субстрата не менее 48 %);
- отсутствие осахаривающих ферментов (допустимое содержание экзо-деполимераз не более 0,3.. .0,9 ед./мл);
- высокая активность при температуре 25.50 °С и способность инактивироваться при нагревании без введения химических реагентов.
Благодаря целенаправленному подбору штаммов микроорганизмов и регулированию условий их культивирования получен ферментный препарат Амилан ДН, который удовлетворяет всем необходимым требованиям отбора. Препарат представляет собой низкотемпературный комплекс декстриногенного действия с высокими адсорбционными свойствами.
Крахмальные гидрогели являются типич-
ным примером систем, проявляющих свойства неньютоновской жидкости. Немодифицированные крахмальные композиции обладают высокой структурированностью, что характеризует нелинейный ход кривой 1, представленной на рис. 1. В области малых напряжений сдвига вязкость резко возрастает, а участок с постоянным значением вязкости отсутствует. Интенсификация расщепления крахмала с помощью хлорамина (кривая 4) существенно снижает проявление аномалий вязкости, что обусловлено глубокими изменениями в структуре геля, ее флуктуационной сетки.
4.0-
^п -
3.53.02.52.01.51.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Рис. 1. Зависимость динамической вязкости от напряжения сдвига для крахмальной шлихты без расщепителей и с использованием биохимического и химических способов приготовления. 1 - без расщепителей; 2 - едкий натр 20 г/л; 3 - амилан ДН 2 г/л; 4 - хлорамин 10 г/л.
Значительно изменяет состояние дисперсной фазы, приближая характер течения к псевдоньютоновскому с пропорциональным соотношением динамической вязкости и прилагаемых напряжений сдвига, введение декстриногенного препарата Амилан ДН в суспензию крахмала (кривая 3). Воздействие биокатализатора обеспечивает получение биомодифицированного гидрогеля, близкого к широко распространенной хлораминовой технологии расщепления крахмала.
Как свидетельствуют данные табл. 1, применение Амилана ДН обеспечивает более эффективное протекание клейстеризации крахмала, чем присутствие едкого натра. В последнем случае при более высоких значениях структурной вязкости, обусловленных недостаточным разрушением остатков зерен крахмала, зафиксировано существенное падение показателей действительной вязкости, связанное с деструкцией полимеров. Получение шлихтующих композиций с высокой текучестью нецелесообразно, так как это увеличивает глубину проникновения состава в пряжу при отжиме текстильного материала на шлихтовальном оборудо-
1
вании. Введение Амилана ДН в исходную суспензию зерен крахмала способствует получению высоких показателей степени их расщепления при допустимом увеличении восстанавливающей способности гидрогеля (ЯГ), характеризующей наличие в системе редуцирующих моносахаров. Оптимальный уровень когезионных свойств обеспечивает технологически необходимые показатели приклея (ПИ) шлихтующей композиции при обработке хлопчатобумажной пряжи.
Получение гидрогелей с высокой степенью дисперсности при использовании Амилана ДН обусловлено обеспечением целенаправленного действия биокатализатора на поверхности зерен благодаря его высоким адсорбционным свойствам. Как показано на рис. 2, в результате тополитиче-ского действия таких ферментов на поверхности высококристалличной оболочки зерна образуются микрокаверны [7], через которые вода проникает вглубь зерен, ускоряя их набухание и разрушение. Вместе с тем, прочно адсорбированные твердой частицей глобулы биокатализатора практически не оказывают деструктирующего влияния на растворенную и мелкодисперсную фракции гидрогеля при клейстеризации крахмала.__
1(Г
Рис. 2. Состояние зерен кукурузного крахмала, подверженных действию амилаз (СЭМх600).
Анализируя технологические показатели ошлихтованной пряжи, представленные в табл. 2, следует отметить, что ошлихтованная биомодифи-цированной шлихтой пряжа имеет более высокие
показатели нагрузки, при которой происходит ее разрыв. При этом нить способна выдерживать более значительное удлинение под действием деформационных усилий. Благодаря повышению прочности и эластичности пряжи снижается ее обрывность на ткацких станках при производстве тканей. Вместе с тем для пленок биомодифициро-ванного крахмала зафиксировано 3...4-кратное увеличение показателей влагопоглощения в воде при 25 °С.
Эти данные коррелируют с результатами рентгеноструктурного анализа пленок крахмала [8]. Аморфность пленок при биохимической модификации повышается в 1,5 раза в сравнении с показателем для нативных зерен, что существенно превышает аморфизацию полимера при термической клейстеризации крахмала без расщепителя и при интенсификации расщепления соляной кислотой или едким натром. По-видимому, это обусловлено проявлением неспецифического взаимодействия макромолекул ферментов с полимерами крахмала, и, прежде всего, с водорастворимыми продуктами гидролиза. В результате денатурации глобулы макромолекул белкового катализатора трансформируются в форму развернутой спирали, способной к межчастичному взаимодействию с функциональными группировками поли- и олигосахаридов. Подтверждением этого может служить тот факт, что введение инактивированных ферментов в клей-стеризованный крахмал также снижает степень кристалличности пленок. Благодаря структурной модификации крахмала уменьшается вероятность локализации олигосахаридов линейного строения и образования поверхностных высокоупорядоченных областей в продуктах рекристаллизации.
Как следствие, нанесенные на пряжу крахмальные пленки легче удаляются в процессе расшлихтовки ткани. Скорость десорбции крахмала при промывке в 2,6 раза превышает соответствующую характеристику для хлораминовой шлихты и в 17 раз - для немодифицированного состава.
Таблица 1.
Характеристика свойств модифицированной крахмальной шлихты.
Расщепитель Реологическое поведение Степень расщепления крахмала, % ЯГ, % Пи , %
Динамическая вязкость, Па-с индекс течения, т кинематическая вязкость, v-102, м2-с-2
структурная, п* действительная, по
отсутствует 5370 77,6 0,33 28,5 40 8 6,8
едкий натр 1660 33,9 0,44 15,2 78 14 4,8
Амилан ДН 1122 49 0,57 22,8 98 12 4,3
хлорамин 933 56,2 0,57 23,7 99 12 4,1
Таблица 2.
Влияние условий биомодификации крахмала на деформационные свойства ошлихтованной пряжи и активность шлихты в процессах гидратации.
Препарат Разрывная нагрузка, РРАЗ±10, сН Разрывное удлинение, ЬРАЗ±1,0, мм Работа разрыва, дРАЗ-102, Дж Влагопоглощение пленки за 10(60) мин W25, % Скорость десорбции шлихты, V40, г-(кг-мин)"1
Немодифициро-ванная шлихта 461 20 9,4 115 (200) 0,05
Амилан ДН 558 26 14,5 436 (620) 0,85
Хлорамин 514 19 9,9 320 (550) 0,33
На основании полученных результатов разработан ресурсосберегающий способ биомодификации крахмальных композиций, предусматривающий введение Амилана ДН в суспензию крахмала, выдержку без подогрева в течение 20 мин для повреждения оболочки зерен и последующий нагрев до кипения в течение получаса для стабилизации вязкости гидрогеля и инактивации ферментов. Биохимическая технология имеет ряд преимуществ:
- отказ от использования хлорсодержащего расщепителя, что немаловажно, так как ткацкие фабрики, как правило, не имеют систем водоочистки;
- снижение на 40 % расхода пара, благодаря исключению 20-минутной выдержки клейстера при кипении.
Таким образом, регулирование деструкции крахмала за счет обоснованного подбора биокатализатора позволяет целенаправленно изменять свойства крахмального гидрогеля и пленок вспомогательного вещества на текстильном материале.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кретович В. Л., Яровенко В. Л. Ферментные препараты в пищевой промышленности. М.: Пищевая промышленность. 1975. 346 с.
2. Lozinsky V.I. et al. // J. Appl. Polym. Sci. 2000. V.78. N 2. P. 371-381.
3. Рихтер М., Аугустат З., Ширбаум Ф. Избранные методы исследования крахмала. М.: Пищевая промышленность. 1975. 185с.
4. Рыбакова В.М. Технология шлихтования хлопчатобумажной пряжи. Ивановское книжное изд-во. 1957. 165 с.
5. Березин И.В., Мартинек К.С. Основы физической химии ферментативного катализа. М.: Химия. 1977. 567 с.
6. Клесов А.А. Ферментативный катализ. Часть П.. М.: Изд. МГУ. 1984. 216 с.
7. Aggarwal P., Dollimore D. // Thermochimica acta. 2000. V. 357-358. P. 57-63.
8. Куликова И.В. и др. // Тез. докл. II Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы химии и химической технологии» (Химия-99). Иваново. 1999. С. 213-214.
Лаборатория химии растворов текстильных вспомогательных препаратов
